05计算机指令：使用纸带编程

一、编译成汇编

test.c

// test.c
int main()
{int a &＃61; 1;int b &＃61; 2;a &＃61; a &＃43; b;
}


程序想要在 Linux 操作系统上运行&＃xff0c;需要将整个程序翻译成一个汇编代码的程序&＃xff0c;这个过程叫编译成汇编代码
对于汇编代码&＃xff0c;可以再使用汇编器翻译成机器码。机器码由 0 和 1 组成的机器语言表示。一条条机器码就是一条条的计算机指令

使用 gcc 和 objdump 两个命令&＃xff0c;打印出程序对应的汇编代码和机器码

gcc -g -c test.c
// -M&＃xff1a;指定了指令集的类型为 intel
objdump -d -M intel -S test.o


命令执行结果

test.o&＃xff1a; 文件格式 elf64-x86-64Disassembly of section .text:0000000000000000 <main>:
int main()
{0: 55 push rbp1: 48 89 e5 mov rbp,rspint a &＃61; 1;4: c7 45 f8 01 00 00 00 mov DWORD PTR [rbp-0x8],0x1int b &＃61; 2;b: c7 45 fc 02 00 00 00 mov DWORD PTR [rbp-0x4],0x2a &＃61; a &＃43; b;12: 8b 45 fc mov eax,DWORD PTR [rbp-0x4]15: 01 45 f8 add DWORD PTR [rbp-0x8],eax18: b8 00 00 00 00 mov eax,0x0
}1d: 5d pop rbp1e: c3 ret


• 8 行&＃xff1a;push rbp&＃xff0c;将 rbp 基址指针寄存器 push 入栈
• 9 行&＃xff1a;mov rbp,rsp&＃xff0c;将 rsp 栈指针寄存器指向地址赋给 rbp 基址指针寄存器
• 11 行&＃xff1a;mov DWORD PTR [rbp-0x8],0x1
  DWORD 双字&＃xff08;四个字节&＃xff09;、PTR 即指针&＃xff0c;pointer 的缩写
  [] 里的值对应一个地址值&＃xff0c;地址指向一个双字型数据
  mov DWORD PTR [rbp-0x8],0x1 意思是将 16 进制的 1 赋值给基址指针寄存器偏移 8 位的位置
• 13 行&＃xff1a;mov DWORD PTR [rbp-0x4],0x2&＃xff0c;同 11 行&＃xff0c;意思是将 16 进制的 2 赋值给基址指针寄存器偏移 4 位的位置
• 15 行&＃xff1a;mov eax,DWORD PTR [rbp-0x4]&＃xff0c;将基址指针寄存器偏移 4 位的位置的指向赋给 eax 寄存器
• 16 行&＃xff1a;add DWORD PTR [rbp-0x8],eax&＃xff0c;将 eax 和基址指针寄存器偏移 8 位的位置指向的值相加&＃xff0c;结果赋给基址指针寄存器偏移 8 位的位置&＃xff0c;即 eax&＃xff08;2&＃xff09;&＃43; rbp-8&＃xff08;1&＃xff09;&＃61; 3&＃xff0c;结果 3 赋给基址指针寄存器偏移 8 位的位置
• 17 行&＃xff1a;mov eax,0x0&＃xff0c;将 eax 寄存器清零
• 19 行&＃xff1a;pop rbp&＃xff0c;将 rbp 基址指针寄存器 pop 弹出
• 20 行&＃xff1a;ret&＃xff0c;函数返回

补充&＃xff1a;生成 Linux 汇编

Linux 和 Windows 生成的汇编参数的顺序是反的&＃xff0c;Linux 是正序&＃xff0c;Windows 是逆序

二、解析指令和机器码

• 第一类&＃xff1a;算术类指令
  加减乘除&＃xff0c;在 CPU 层面&＃xff0c;都会变成一条条算数指令
• 第二类&＃xff1a;数据传输类指令
  给变量赋值、在内存里读写数据
• 第三类&＃xff1a;逻辑类指令
  逻辑上的与或非
• 第四类&＃xff1a;条件分支类指令
  if-else 等
• 第五类&＃xff1a;无条件跳转指令
  在调用函数时&＃xff0c;其实就是发起了一个无条件跳转指令

2.1 MIPS 指令集

操作码&＃xff08;Opcode&＃xff09;&＃xff1a;高 6 位&＃xff0c;代表这条指令具体是什么样的指令
R 指令&＃xff1a;一般用来做算数和逻辑操作&＃xff0c;里面有读取和写入寄存器的地址&＃xff0c;如果是逻辑位移&＃xff0c;后面还有位移操作的偏移量&＃xff0c;功能码是在前面的操作码不够的时候&＃xff0c;扩展操作码来表示对应的具体指令
I 指令&＃xff1a;通常用在数据传输、条件分支&＃xff0c;以及运算时使用的是常数的时候&＃xff0c;因为没有位移量和操作码&＃xff0c;也没有了第三个寄存器&＃xff08;rd&＃xff09;&＃xff0c;而是把直接把这三部分合并成一个地址值或者一个常数
J 指令&＃xff1a;是一个跳转指令&＃xff0c;高 6 位之外的 26 位都是一个跳转后的地址

三、举个栗子

add $t0,$s1,$s2


这是一个加法算数指令&＃xff0c;解释一下具体操作

add&＃xff1a;表示这是一个加法操作&＃xff0c;对应 MIPS 指令里的 opcode 是 0&＃xff0c;5 位二进制&＃xff1a;000000
rs&＃xff1a;代表第一个寄存器&＃xff0c;对应 s1 的地址是 17&＃xff1f;&＃xff1f;&＃xff1f;&＃xff0c;5 位二进制&＃xff1a;10001
rt&＃xff1a;代表第二个寄存器&＃xff0c;对应 s2 的地址是 18&＃xff1f;&＃xff1f;&＃xff1f;&＃xff0c;二进制&＃xff1a;10010
rd&＃xff1a;代表目标的临时寄存器&＃xff0c;对应 t0 的地址是 8&＃xff1f;&＃xff1f;&＃xff1f;&＃xff0c;二进制&＃xff1a;01000
不是位移操作&＃xff0c;位移量是 0&＃xff0c;二进制&＃xff1a;00000
功能码是 32&＃xff1f;&＃xff1f;&＃xff1f;&＃xff0c;二进制&＃xff1a;100000
000000 10001 10010 01000 00000 100000 &＃61; 000000 0010 0011 0010 0100 0000 0010 0000 &＃61; 0 2 3 2 4 0 2 0 &＃61; 0x02324020

打在纸带上&＃xff0c;就是这样

加法指令执行的过程&＃xff0c;以及 CPU 怎么和 ALU 算数逻辑单元串联起来&＃xff0c;待续…